（计算机应用技术专业论文）高速同步异步混合复接器的设计与实现.pdf

论文摘要 摘要 随着空问科学的不断发展，空间数据传输系统中音、视频数据的传输变得越 来越重要。由于音、视频传输对等时性和实时性有较强的要求，并且视频数据的 速率高，数据量大，传统的做法是为音、视频信息单独开辟一个信道传输，但这 样会耗费大量的资源，也不利于航天设备的轻小型化。而将视频、音频和异步数 据混合复接传输，可以提高信道利用率。 针对上述需求，利用国际空间数据系统咨询委员会( c c s d s ) 高级在轨系统 ( a o s ) 建议，提出了两级复用的方案和虚拟信道调度的算法，以满足视频、音频 数据传输的等时性和异步数据传输的灵活性：完成了基于f p g a 的高速同步异 步混合复接器芯片设计，能够复接一路音频数据，一路视频数据和两路异步数据， 复接速率为8 m b p s ；搭建了包括音频和视频数据发送设备、异步数据源、高速同 步异步混合复接器、数据接收设备在内的功能验证演示系统，对混合复接器的 功能进行了验证，并对其等时性能进行了分析。 实验结果表明该同步异步混合复接器能够正确复接一路音频数据、一路视 频数据、两路异步数据，数据格式符合c c s d s a o s 标准，复接效果与理论设计 一致。 在此之前，国内对高速同步异步混合复接器的研究鲜有尝试，本课题的研 究对今后的航天项目中研制高速同步异步混合复接器有重要的意义。 关键词：c c s d s ，a o s ，同步异步混合复接，等时传输，f p g a 壹鎏旦生! 墨垄望鱼墨堡矍塑垦笪皇兰里 a b s t r a c t g o n gx u x i a o ( c o m p u t e ra p p l i c a t i o nt e c h n o l o g y ) d i r e c t e db yb a iy u n f e i t h et r a n s m i s s i o no fa u d i oa n dv i d e od a t ab e c o m e sm o r ea n dm o r ei m p o r t a n ti n t h es p a c ed a t at r a n s m i s s i o ns y s t e mw i t ht h ed e v e l o p m e n to fs p a c es c i e n c e a u d i oa n d v i d e od a t at r a n s m i s s i o nh a sm o r er e q u i r e m e n ti ni s o c h r o n o u sq u a l i t ya n dr e a l - t i m e t h es p e e do fv i d e od a t ai sh i g h , a n dt h ev o l u m ei sg r e a t c o n v e n t i o n a lm e t h o di st o t r a n s m i ta u d i oa n dv i d e oi n f o r m a t i o ni nas i n g l ec h a n n e l ，b u tt h a tw i l lw a s t em u c h r e s o u r c e ，n e i t h e rg o o df o rm i n i a t u r i z a t i o na n dp o r t a b i l i t yo ft h es p a c e f l i g h te q u i p m e n t m u l t i p l e x i n ga u d i o ，v i d e oa n da s y n c h r o n o u sd a t aw i l li m p r o v et h eu t i l i z a t i o nr a t i oo f t h ec h a n n e l i nt h i sa r t i c l e ，t h ec o n s u l t a t i v ec o m m i t t e ef o rs p a c ed a t as y s t e m s ( c c s d s ) a d v a n c e do r b i t i n gs y s t e m s ( a o s ) r e p o r ti sa p p l i e dt ot h i sk i n do fr e q u i r e m e n ta b o v e t w o l e v e lm u l t i p l e x i n gs t r a t e g ya n dv i r t u a lc h a n n e ls c h e d u l ea r es u g g e s t e dt os a t i s f y t h ei s o c h r o n o u sc h a r a c t e ro fv i d e o ，a u d i od a t at r a n s m i s s i o na n dt h ea g i l i t yo f a s y n c h r o n o u sd a t at r a n s m i s s i o n s y n c h r o n o u sa n da s y n c h r o n o u sh i g hr a t em u l t i p l e x e r c h i pi sd e s i g n e db a s eo nf p g ad e v i c e ，t h i sc h i p c a nm u l t i p l e xo n ec h a n n e la u d i od a t a ， o n ec h a n n e lv i d e od a t aa n dt w oc h a n n e l sa s y n c h r o n o u sd a t a ，t h et r a n s m i s s i o nr a t eo f m u l t i p l e x e ri s8 m b p s ad e m os y s t e mi sb u i l tt ov a l i d a t et h ef u n c t i o no fm u l t i p l e x e r , t h i sd e m os y s t e mi n c l u d e sv i d e oa n da u d i od a t as e n de q u i p m e n t ，a s y n c h r o n o u sd a t a s o u r c e ，s y n c h r o n o u sa n da s y n c h r o n o u sh i g hr a t em u l t i p l e x e r , d a t ar e c e i v ee q u i p m e n t i nt h ee n d ，i s o c h r o n o u sp e r f o r m a n c eo ft h em u l t i p l e x e ri sa n a l y z e d t h er e s u l to fe x p e r i m e n ti n d i c a t e st h a ts y n c h r o n o u sa n da s y n c h r o n o u sh i g hr a t e m u l t i p l e x e rc a nm u l t i p l e xo n ec h a n n e la u d i od a t a ，o n ec h a n n e lv i d e od a t aa n dt w o c h a n n e l sa s y n c h r o n o u sd a t ar i g h t l y , a n dt h ed a t af o r m a ti sa c c o r d i n gw i t ht h ec c s d s a o ss t a n d a r d t h er e s u l t sa r ec o n s i s t e n tw i t ht h et h e o r i e s e r e n o w , r a r ep e o p l ei n l a n dh a st r y t or e s e a r c ho nt h es y n c h r o n o u sa n d a s y n c h r o n o u sh i g hr a t em u l t i p l e x e r t h er e s e a r c hi nt h i sp r o g r a mh a sg r e a tm e a n i n g 论文摘要 f o rt h ed e v e l o p m e n to fs y n c h r o n o u sa n da s y n c h r o n o u sh i g hr a t em u l t i p l e x e ri nt h e f u t u r es p a c e f l i g h tp r o j e c t k e y w o r d s ：c c s d s ，a o s ，s y n c h r o n o u sa n da s y n c h r o n o u sm u l t i p l e x i n g , i s o c h r o n o u st r a n s m i s s i o n ，f p g a i i i 高速同步异步混合复接器的设计与实现 图表目录( l i s to ff i g u r e s l 图1c p n 结构图【“。6 图2s l s 与o s i 的对应关系i “7 图3c a d u 数据格式1 2 1 8 图4 简化的c p n 数据流业务模型【2 1 9 图5b p d u 数据单元格式1 2 j 1 1 图6 端到端的延迟1 3 图7 连续媒体流内同步1 3 图8 高速同步异步混合复接器框图1 8 图9 两级复用方式1 1 i 1 9 图1 0 虚拟信道调度算法2 0 图1 1s p a a a n 3 s 1 5 0 0 开发板叫2 3 图1 2f p g a 完整的设计流程1 1 0 l 2 5 图1 3 混合复接器外部模块2 6 图1 4f i f oi p 核符号州2 8 图1 5f i f o 读写时序图1 1 3 j 2 9 图1 6 混合复接器内部模块图3 0 图1 7 主控时钟等信号的时序关系图3 4 图1 8 a 信道第一帧数据3 4 图1 9b 信道第一帧数据3 4 图2 0 视频信道第一帧数据3 5 图2 l 填充信道第一帧数据3 5 图2 2 计算机仿真结果总览图3 5 图2 3 高速同步异步混合复接器功能验证演示系统3 7 图2 4p c i 7 3 0 0 a 框图1 1 4 1 3 9 图2 5p c i 7 3 0 0 a 数字输出数据流斟1 4 】3 9 图2 6p c i 7 3 0 0 a 数字输出握手模式操作流程图1 1 4 l 4 0 图2 7 数字输出握手模式中d o r e q 与d o a c k 的时序图1 1 4 j 4 1 图2 8 音频数据发送软件的界面4 2 图2 9 音频数据发送软件流程图4 3 图3 07 4 l v t h l 6 2 2 4 5 芯片t s s o p 封装管脚分配图【1 7 j “ 图3 1 接口电路板。4 4 图3 2 高速同步异步混合复接器功能验证演示系统实物图a 4 5 图3 3 高速同步异步混合复接器功能验证演示系统实物图b 4 5 图3 4 a 、b 信道f i f o 读信号波形图4 6 图3 5b 、视频信道f i f o 读信号波形图4 7 图3 6 视频信道f i f o 读信号波形图4 7 图3 7 音频数据f i f o 读信号波形图4 8 图3 8 音频数据f i f o 和b 信道f i f o 读信号波形图4 8 图3 9 a 、b 信道f i f o 空标志波形图4 9 图4 0 a 、b 信道f i f o 满标志波形图4 9 图4 l 视频信道和音频数据的f i f o 空标志信号波形5 0 目录 图4 2 视频信道和音频数据的f i f o 满标志信号波形5 0 图4 3 视频源与混合复接器问的握手信号波形5 1 图4 4 音频源与混合复接器间的握手信号波形5 2 图4 5 混合复接器输出的串行数据和伴随时钟5 2 图4 6 数据发送设备发送的音频数据5 3 图4 7 数据发送设备发送的视频数据5 4 图4 8 接收到的a 信道数据5 4 图4 9 接收到的b 信道数据5 5 图5 0 接收到的视频信道数据5 6 图5 1 接收到的填充信道数据5 6 图5 2 接收到的音频数据5 7 图5 3 音频数据被填充5 7 图5 4 视频数据帧数据丢失情况5 8 图5 5v i d e or e q 和v i d e oa c k 信号5 8 图5 6c l k 7 8 k 与v i d e oa c k 信号5 9 图5 7f u l l _ _ v 与v i d e o _ a c k 信号6 0 图5 8 发送音频数据时的e m p t ys 与sr e q 信号6 1 图5 9 发送音频数据时的r e a de ns 与r e a d信号62_errs 图6 0 发送音频数据时用p c i 7 2 0 0 接收到的数据6 2 图6 1 停止发送音频数据时的r e a de ns 和r e a de r rs 信号6 3 图6 2 停止发送音频数据时的e m p t ys 和s 信号63_req 图6 3 停止发送音频数据时p c i 7 2 0 0 接收到的数据6 4 图6 4 同时发送音频和视频数据时v 1 d e oa c k 和a u d i oa c k 信号波形 6 5 图6 5 只发送视频数据时的v i d e oa c k 波形6 6 图6 6 只发送音频数据时的a u d i oa c k 波形6 6 表1 三种复用方式性能比较1 5 表27 4 l v t h l 6 2 2 4 5 真值表【1 7 1 4 4 表3 不同质量音频和视频传输时延抖动的范围【1 9 1 6 7 独镧性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含任 何其他人已发表或撰写过的材料，也不包含为获得其它教育机构的别种学位或 证书而大量使用过的材料。与我一同工作的人对本研究所做的任何贡献己在论 文中作了明确的说明并表示谢意。 签名：奎绫垫日期 关于论文使用授权的说明 2 砷0 。5 - 本人完全了解培养单位有关保留、使用学位论文的规定，即：培养单位有 权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；培养单位可以公布论文的 全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 签名：，公姥嘞签名：7 _ 媚蔓型 见证人：塑兰飞日期： 洳喀0 莹 引言 1 1 课题的目的和意义 第1 章引言 空间科学的不断发展使得各种空间任务( 载人和无人空间站、无人空间平台、 自由飞行的空间飞行器和空间运输工具) 对数据的处理和传输提出了新的要求。 除了传统的遥测、遥控数据之外，许多系统还要求同时在空地、地空、空空数 据信道中传输多种不同类型的数据( 如音频、视频、科学实验数据等) 。其中， 声音、视频等连续媒体数据在空间链路子网中的实时传输变得越来越重要。比如， 在飞行器上进行科学实验时，科学数据、图像信息通过远程交互可以实时传输给 地球上的地面控制和研究人员，使他们可以及时根据实验现象和结果实时进行遥 操作，改变实验参数，控制实验过程；在有人驾驶的飞行任务中，航天员的声音、 图像和状态信息可以被实时反馈到地面，监控人员可以与航天员实时通信，监控 航天员的生命体征，或为航天员的问题提供实时帮助。新的数据需求具有类型繁 多、数据量巨大、数据速率高、实时性强、突发性强等特点，传统的空间数据处 理传输方法已经难以满足这种复杂的数据需求。 为了提供更为灵活方便的数据处理服务，1 9 8 6 年国际空间数据系统咨询委 员会( c c s d s ) 在其制定的常规建议书的基础上进一步做了提高和扩展，开发了高 级在轨系统( a o s ) 。a o s 建议书提供了比常规建议书更为广泛的数据服务，支持 图像、语音、高速、低速的各种数据任意方向的传输，支持异步、同步、等时传 输模式和位流、分包等多种传输业务，可以在一条物理信道上传输多种不同类型 的数据。a o s 为空间数据系统的信息交换与处理提供了极大的方便，同时向下 兼容常规空间数据业务l l 】。 由于视频和音频信息传输对等时性要求较高，传统的做法是为视频和音频信 息单独开辟一个信道传输，这样会耗费大量的资源，增加飞行器设计的复杂度， 也不利于航天设备的轻小型化。而采用基于高级在轨系统建议的高速复接器将视 频、音频和高速科学实验数据混合复接传输的方法则会大大提高信道利用率，充 分利用信道资源。 高速同步异步混合复接器的设计与实现 在以往对复接器的研究中，探讨比较多的是科学实验数据、工程参数数据等 实时性要求不高的数据在空间物理信道中的复接传输，利用的是a o s 虚拟信道 异步复接的概念，而对于实时性要求高的音频、视频数据和实时性要求不高的异 步数据如何在空间物理信道中混合复接传输研究还不够深入。其中，虚拟信道的 调度方法是复接传输实现的难点，特别是加入了等时性数据以后，更为信道合理 调度带来困难。采用单一的复接方法往往在多路数据混合传输时很难保证音、视 频信号的实时性和等时性，造成接收时信息不流畅、断续丢帧或延迟较大的结果， 或者难以兼顾等时数据和异步数据的传输效果。针对这个问题，本文以8 m b p s 混合复接器的设计为例对音频、视频和科学实验数据在信道中混合复接传输的情 况做了比较深入的探讨，提出了异步数据和等时数据混合复接传输时的复接方案 和虚拟信道调度算法，介绍了高速同步异步混合复接器的技术方案和具体硬件 实现，搭建了方案验证演示系统对混合复接器的功能进行验证，以实现音频、视 频和异步数据混合复接传输，突破异步数据和等时数据混合复接传输的技术难 点。 本课题的研究为实现音、视频等时数据和科学实验数据复接下行提供了思路 和技术支持，对今后在航天工程中研制能够同时复接等时数据和异步数据的同步 异步混合复接器具有指导意义。 1 2 国内外研究进展 在未来的空间科学应用中，能够混合复接音频、视频等时数据和科学实验数 据、工程参数等异步数据的高速多路复接器将具有越来越重要的作用。各国都在 竞相发展多信道、高数据吞吐率、灵活适用的高速多路同步异步混合复接器。 国际上，很多国家都已经对高速复接器混合复接多路等时和异步数据的课题进行 了深入的研究。 n a s d a ( j 本国家空间开发组织) 在1 9 9 7 年发射的e t s v i i 卫星的数据管理 系统中，利用c c s d s 建议实现了灵活有效地复接不同长度、不同速率和格式的 高可靠压缩图像数据、工程参数数据和科学试验数据，以实现实时遥操作。其中 实时图像数据速率为1 5 m b p s ，复接后数据总速率为2 m b p s ，通过s 波段发射机 下行。2 0 0 3 年发射的e t s v i i i ，继续沿用了符合c c s d s 建议的有效载荷数据处 2 引言 理系统，它可以提供高质量音频、视频等多媒体通信业务给移动用户。这两颗卫 星的高速复接器都是由日本三菱公司开发，他们计划在未来实现1 2 0 m b p s 可以 复接多路音频和视频数据的高速复接裂”。 国际空间站是1 9 9 8 年由美国、俄罗斯、欧洲、日本、加拿大等国家的实验 舱联合组成的大型载人航天计划，用于生命科学、微重力科学、空间科学、地球 科学、商用生产开发、工程研究与技术六大方面的研究。国际空间站上共有6 个 实验舱，3 3 个有效载荷机柜，对有效载荷数据的需求十分复杂，要求有很高的 有效载荷数据采集、处理、存储、传输和管理性能，因而对高速复接器的性能要 求也很高。目前，空间站的高速复接器设备可以将1 2 路数据复接为一路后利用 k u 波段以1 0 0 m b p s 下行。1 2 路信道中有4 路用于传输视频图像，从而可以满足 将有效载荷的实时数据、视频和记录的空间站遥测数据下行的需要。在空间站的 建设中，2 0 0 4 年发射的欧空局哥伦布舱比较先进，它为工作人员提供了声音和 图像业务，它所使用的高速复接器可以复接低速的音频、遥控数据和高速的视频 数据、系统数据和载荷数据，复接速度可以达到1 5 0 m b p s ，复接的数据可以通过 s 波段发射机、勋波段发射机和k u 波段发射机下行【4 l o 同时欧空局正在着手研 究性能更高的高速复接器，准备利用专用集成电路实现高速复接器在系统芯片 ( s o q ，进一步实现复接器的小型化、集成化，设计指标在3 0 0 6 0 0 m b p s 之问。 经过调研，国内目前已有的复接器多为全同步或全异步复接器，还没有真正 意义上的混合复接器实现，所以对此课题的研究非常有意义。在8 6 3 遥科学通用 平台的研究中，需要建立一个将空间链路和地面网络合为一体的实时交互数据 网，实时遥操作空间试验。2 0 0 0 年，中科院空间中心实现了一个具有上述功能 的地面演示系统，在此系统中研制的高速多路复接器采用异步复接的方式将一路 被压缩的视频数据和多路工程参数以2 0 4 8 m b p s 的速率按照c c s d s 高级在轨系 统的标准复接为一路串行数据流下行。其中视频图像压缩采用了m p e g 1 方式。 在复接过程中，对时间敏感的视频数据优先传输。试验结果表明，演示系统可以 将“天基”的流体图像传输到地面，整个图像压缩、编码、传输、解码至图像恢 复的延迟约十几秒1 5 l 。 3 高速同步异步混合复接器的设计与实现 1 3 课题的主要内容和关键技术 课题的主要内容：。 1 根据c c s d s 高级在轨系统“网络和数据链路”建议，提出一种混合复 接的调度算法，将两路异步数据和两路等时数据( 一路音频，一路视频) 复接为 一路，兼顾异步数据复用时的灵活性和等时数据复用时的等时性。 2 用f p g a 实现高速同步异步混合复接芯片，复接数据按照c c s d s 协议 的规定的数据格式下行，复接速率为8 m b p s 。 3 搭建包括音频源、视频源：异步数据源、同步异步混合复接器、数据接 收终端在内的演示系统，以验证同步异步混合复接芯片工作的正确性。 在设计实现的过程中，关键是设计并用硬件实现同步异步混合复接算法， 经混合复接器复接后输出的数据必须正确、连续、无丢数丢包，符合c c s d s 标 准。 4 高速同步屏步混合复接的理论基础 第2 章高速同步异步混合复接的理论基础 2 1c c s d s a o s 建议 c c s d s 是由各国空间机构相互协作共同开发和制定空间数据标准以促进空 间信息交换的国际性组织。c c s d s 致力于建立一个世界范围的开放的c c s d s 兼容的虚拟空间数据系统，以利于相互协作，支持和科学信息的交换。从长远来 看，可以在全球各国之间实现和平利用空间资源，加强航天任务的国际间合作， 提高效率，降低航天任务的成本。 在成立的初期，c c s d s 制定了一系列针对“常规”任务的建议书，包括射 频与调制、分包遥测、遥测信道编码、遥控等，为多种无人空间飞行器数据系统 的标准化建立了广泛的基础。1 9 8 6 年，由于开发国际空间站，针对常规任务制 定的标准难以满足空间站的需求，c c s d s 决定进一步提高和扩展其常规建议书， 开发了a o s ，以便能够提供更为灵活方便的数据处理服务。 a o s 包括载人空间站、无人空间平台、自由飞行的空间飞行器和空间运输 工具。许多这类系统需要在空一空、空地、地一空链路同时传送多种数字化信息， 包括图像和语音。1 9 8 9 年，c c s d s 发布了“高级在轨系统，网络与数据链路： 结构说明”建议书，1 9 9 2 年和2 0 0 1 年分别作了两次修改和补充。 与常规任务有很大不同，a o s 提供了更为广泛的数据服务。在概念上可以把 空间部分看成是网络中的一个节点，传统的“遥控”、“遥测”的概念变得模糊， 代之以天地之间多种数字信息的双向交换。a o s 建议书支持图像、语音、高速、 低速的各种数据任意方向的传输。为了能使不同类型的数据共享同一数据链路， a o s 支持异步、同步、等时传输模式和位流、分包等多种传输业纠。 2 2c c s d s 主网模型 空间数据系统支持的空问用户总的可以分为支持正常飞行的工程用户和进 行空间试验和观测的载荷用户两大类。这里面包含有遥测、遥控、遥感、话音、 图像、电视、计算机程序与文件、导航控制信息等。用户对数据传输与处理的要 高速同步异步混合复接器的设计与实现 求不尽相同。这体现在数据源、数据目的地、数据交互方式、数据容量与速率、 数据的持续性与突发性、对传送可靠性与安全性的要求、对实时性及传送顺序要 求等诸多方面。为了支持各种类型的用户端到端的信息传递，必须有一个综合业 务的分布式网络化运行环境。为此，高级在轨系统提出了一个c c s d s 主m ( c p n ) 的概念模型，以支持空间任务用户端到端的数据通信。c p n 由一个在轨段的星 载网通过c c s d s 空问链路子网与一个地面网络或另一个在轨段的星载网组成【2 j 。c p n 的结构如图1 所示： c j 池月镕镕目 o盥ds终点ccsds终点 c p n 空腔同络结构 2 3 空间链接子网 图1g p n 结构图嘲 空问链接子网( s l s ) 是c c s d s 主网的核心，s i s 分层结构与开放系统互 连参考模型的数据链路层和物理层之间的对应关系如图2 ，其中“空间链路层 ( s l ) ”由“虚拟信道链接控制( v c l c ) ”和“虚拟信道按入( v c a ) ”两个子层组成， 这两个子层都在物理层之上。空空之问或空地之间通信时通过物理层访问物理 媒介。 6 高速同步，异步混合复接的理论基础 o s l 分层 数据链路层 物理层 2 4 虚拟信道和复接 s l s 分层 虚拟信道链接控制子层 空问 链路 层 虚拟信道接 子层 物理信道层 图2 s l s 与o s l 的对应关系嘲 c c s d s 协议提供给空间链接子网的一个关键特性是虚拟信道( v c ) 的概念。 一个物理信道可以被划分成多个逻辑信道，每个逻辑信道可以被单独识别并传输 一种数据流，各数据流可以使用不同的业务，一个逻辑信道就是一个虚拟信道。 虚拟信道使得一个物理空间信道被多个高层数据流以时分复用的方式共享，多种 不同类型的数据在一个物理信道上传输成为可能，从而奠定了复接的理论基础。 2 5 虚拟信道数据单元 在弱信号、多噪声的空问信道中采用固定长度的协议数据单元传输数据，以 使得同步过程更为简单、可靠、稳健。在一个特定连接中这些数据单元的长度由 管理根据不同的任务阶段确定，并且通过数据单元边界处的同步标志来定界数 据。这些协议数据单元与特定的虚拟信道相关联，因此称作虚拟信道数据单元 ( v c d u ) 。每个v c d u 包含一个v c d u 主包头和一个v c d u 包尾勤务信息区， 提供空问链路协议控制信息，还包括一个固定长度的数据区以装载高层业务数据 单元以及一个可选的v c d u 插入区1 2 j 。 v c d u 组成后，在传输前要加同步标志位组成信道接入数据单元( c a d u ) ， 同步标志位统一为十六进制1 a c f f c i d ，分隔开不同的c a d u 。c a d u 提供了 与传输比特率同步的固定长度的信道访问时间片，这些时间片以精确的时间问隔 7 高速同步异步混合复接器的设计与实现 产生。整台好顺序的v c d u 连续传输，以保证每个时间片都被占用。在高层数 据未准备好传输时，包含填充数据的v c d u 被释放以占用时隙。这样连续不断 的c a d u 数据流组成了物理信道访问协议数据单元( p c ap d u ) ，被传输到物理 信道上。 本课题中所使用的c a d u 格式如图3 ： 二 1 v c d u 主包头 7 虚拟信遘教据v c d u 插入 同步标志 敝本号v c d l ) 标号 单元计数 信号区v c d u 数据单元区j 区 l a c f f c l d飞行器虚拟信 重传标志 空余标 标号道标号 士 。b 3 2 断b 2 蜥t s 8 b i t s6 砥 2 4 “b l b i t7 b f l s 可变长度 可变长度 图3 g a d u 数据格式脚 其中各数据区定义如下f 2 】： 0 ) v c d u 主包头 版本号f 2 个比特1 ：在a o s 中，应设置为“0 1 ”，为版本2 ，表示此数据结 构为c c s d s 虚拟信道协议数据单元。 v c d u 标号：用于标识该v c d u 相关的航天器和所使用的虚拟信道。v c d u 标号包含两个部分，其中飞行器标号( s c i d ) 标识为v c a 子层提供数据的逻辑 实体，对于复杂的航天器，可能会被分配多个s c l d ；而虚拟信道标号( v c i d ) 是对于每个s c i d 最多可同时运行6 4 条虚拟信道。当v c i d 为全0 时，表明仅 使用了一条虚拟信道；v c l d 为全1 时，表明该虚拟信道传送的是填充数据。 虚拟信道数据单元计数器：为每个虚拟信道上产生的v c d u 按顺序编码。 信令区包含两个部分：重放标志和空闲部分。重放标志为“0 ”，表明该v c d u 为实时数据；为“l ”，表明该v c d u 为重放数据。空闲部分则是为未来的应用而 保留的，目前将其置为全0 。 ( 2 ) v c d u 插入区：用于实现插入业务，其长度必须为8 比特的整数倍。如 果v c d u 支持插入业务以传输等时数据，插入区应该存在于包括填充v c d u 在 高速同步，异步混合复接的理论基础 内的每一个v c d u 中。在特定的物理信道上，是否存在插入区以及插入区的大 小由网络管理控制。如果插入区存在的话，则v c a 用户可获得的v c d u 数据单 元区将减少一个插入区定长的长度。 ( 3 ) v c d u 数据单元区：承载与位流业务、复用业务、v c a 业务相关的高层 用户数据。当v c d u 释放时如果没有有效的高层数据，v c d u 标号应该被设置 为全1 ，同时指定的填充数据应该被填充到v c d u 数据单元区。 2 6 业务选取 图4 所示为简化的c c c s d 主网数据流业务模型，c p n 提供了八种不同的业 务。其中，网间业务和路径业务以异步模式运行，属于空间网络中的端到端业务， 其余六种业务( “封装”，“多路复用”，“位流”，“虚拟信道访存”，“插入”和“虚 拟信道数据单元”) 既可以采用异步模式也可以采用同步模式，是空间网络中的 点到点业务i 2 1 。 图4 简化的c p n 数据流业务模型瑚 网问业务和多路复用业务适用于传输低、中速数据，位流业务、路径业务和 虚拟信道访存业务适用于传输高速数据。路径业务适用于传输构造好的有界数 9 高速同步异步混合复接器的设计与实现 据，虚拟信道访存业务适用于传输专用业务数据单元，这两种业务都不适合传输 高速科学实验数据【6 】。 2 6 1 位流业务 位流业务由虚拟信道连接控制子层提供，它是将在虚拟信道链接控制子层中 传输的上层用户数据看成是一系列位流，并将非定界的位流数据放入位流业务协 议数据单元( b p d u ) 的数据区内，再通过空间链路子网传输，数据流的内部结 构和边界对数传系统是未知的。在传输过程中保证位流的先后顺序，传输模式可 以是异步传输也可以是等时传输。 位流业务不允许一个虚拟信道被多路数据流再次复用，因此一个b p d u 仅 装载一路虚拟信道的数据。一个b p d u 填满后，剩余的数据流接着放入下一个 b p d u ，并在同一专用虚拟信道中传送。如果一个b p d u 没有被有效数据填满， 可以加入填充数据，并在导头内设置“位流数据指针”来指明有效数据和填充数 据的边界吼 位流业务传输数据的流程如下：在发送端，v c l c 子层进行用户数据的预处 理，使之形成s l s 位流业务数据包b p d u ，然后向下传输到v c a 子层；v c a 子层主要完成v c d u 打包和虚拟信道复接过程：首先对上层用户业务数据包 b p d u 分别进行打包，包括增加路由、信道控制及纠错保护控制等勤务信息形 成固定格式的v c d u ，然后通过一定的时分复用策略选择接入的v c d u ，再将 所选择的虚拟信道数据单元v c d u 加上同步标志，使之成为虚拟信道接入数据 单元c a d u ，最后送到物理层传输。在接收端，v c a 子层先找到v c d u 之间的 同步标志位，然后进行纠错解调和虚拟信道分接过程，最后将位流业务协议数据 单元b p d u 从v c d u 中的提取出来传输到v c l c 子层；v c l c 子层对b p d u 进行解包处理，将用户数据从b p d u 中提取出来，送到业务数据接收端。位流 业务协议数据单元b p d u 的格式如图5 所示。 1 0 高速同步异步混合复接的理论基础 b p d u 包头 空余位 位流数 b - p d u 位流数据区 据指针 2 b i i s1 4 b i t s 图5b p d o 数据单元格式1 , 2 1 b p d u 各数据区定义如下【2 i ： 空余位：c c s d s 没有定义，通常可设置为“0 0 ”。 位流数据指针：指出在b p d u 位流数据区中最后一个有效用户数据位的位 置。如果没有填充数据，则该指针设为全“1 ”，如果全是填充数据，那么该指针 设为全“0 ”。 位流数据区：装载上层用户位流数据。 位流业务数据单元的长度必须与虚拟信道数据单元数据区的长度相匹配。 位流业务的实现相对简单，适用于传输高速异步数据和高速实时数据，因此 在高速混合复接器中，科学实验数据和视频数据的传输都采用位流业务。 2 6 2 插入业务 插入业务由v c a 子层提供。当使用插入业务时，在一个特定物理信道上传 输的所有虚拟信道数据单元都要开辟一个“插入区”，插入业务数据单元( i n s d u ) 就放到每个v c d u 的“插入区”内，从而为用户提供固定、同步的可用时隙。 这个“插入区”将与其他类型的业务数据单元共享一个v c d u 引。 插入业务保持数据的传输顺序，在业务接口处具有指定的最大延迟和最大抖 动。在一条物理信道上，虚拟信道数据单元业务和插入业务不能同时使用。 插入区的大小和插入业务数据单元的采样速率必须与可利用的数据传输资 源协调一致。在数据速率比较低的情况下，插入业务可以有效利用空间物理信道 资源等时传输按字节排列的业务数据单元。因此，插入业务适用于传输低、中速 实时性数据。 插入业务的典型应用包括传输音频和在低带宽的情况下传输远程操作控制 信息。在本科题的设计中，音频数据速率低，实时性要求高，采用插入业务传 1 1 高速同步异步掘合复接器的设计与实现 输。 2 - 7 空间链路子网的业务等级 为了满足不同用户和不同应用对数据传输质量的不同要求，空间链路子网对 v c a 子层的虚拟信道采用不同的防错、纠错措施，形成3 种业务质量等级【2 】。 一级业务：所传送的数据是完整的、顺序正确的，空间链路引入的错误极少。 二级业务：通过空间链路子网传输的数据可能不完整，但顺序是正确的，空 间链路引入的错误很少。 三级业务：传输的数据可能不完整，并包含一定的空间链路引入的错误，但 数据的顺序是正确的。 一级业务是在二级业务的基础上增加了空问链路重传过程( s l a p ) ；二级业务 在v c d u 中添加了纠错编码控制，一般是r s 码，形成c v c d u ( 编码虚拟信道 数据单元) 后再传输；三级业务就是在建立v c d u 后，不经过其他的纠错控制处 理直接送到物理信道传输。 在本课题的实验过程中，按照三级业务质量等级标准传输数据。 2 8 等时数据的传输特性 异步数据的数据单元之间没有时间维度的关系，输出速度不会影响信息再现 的效果，如科学数据、工程参数：等时数据则在表现形式上有严格的时间维度关 系，如音频和视频数据。等时数据发送时可以看作是一个有关信息单元的时问序 列，每个信息单元都有在等时数据中的时间坐标和时间长度，信息单元之间也具 有严格的时间关系，并在语义上相关。如n t s c 制的视频应用每秒钟产生3 0 个 视频帧，帧和帧之间延迟固定，相邻两帧相关，每一帧都是前一帧的变种。因此 等时数据的传输有实时同步要求，以保证等时数据的连续性和语义完整性。 等时数据在传输通过空间数据网络后会产生端到端的延迟，如图6 所示。端 到端的延迟即为发送端准备好发送数据块直到接收完该数据块所用的总时间。端 到端延迟分为三个部分：第一部分是等待网络准备好接收数据块需要的时间，也 称为访问延迟：第二部分是真正传输数据块位流的时间，称为位传输延迟；第三 部分是网络传输延迟，是发送端发出数据的第一位到接收端接收到该位之间的那 高速同新异步混合复接的理论基础 段时间1 7 l 。而高速复接器在端封端的传输中主要引入的是网络传输延迟。 ，转输块的第一位 一 ：以、；厂厂。 一访问延迟+一网络传输延i 争-一位传输延迟 块的最后一位 图6 端到端的延迟 端到端的延迟由于受到网络性能和工作机制的影响，并不保持恒定的值，这 种延迟的变化成为延迟抖动。延迟抖动会导致在网络接收端等时数据流内部信息 单元时间关系被破坏，出现不同步。如果网络的延迟抖动很小，在允许的范围之 内，并且网络在接收端能够以与等时数据发送时相同的速率接收数据，那么可以 认为传输是等时的，接收端可以恢复等时数据流内部信息单元之间的时间关系。 否则可能会出现等时数据播放的不连续，产生数据丢失。例如，视频传输过程中， 经过网络传输后，视频帧之间的延迟可能发生变化，接收端必须恢复视频帧之间 的时间关系，以与捕获该视频相同的帧速率播放，才能保证视频的质量。因此解 决等时数据的流内同步问题十分关键。流内同步如图7 所示： 2 9 数据传输模式 图7 连续媒体流内同步 空间链路子网提供了两种数据传输模式：异步数据传输模式和等时数据传输 模式。 异步数据传输模式与复用、封装、位流或虚拟信道访问业务有关，用于v c d u 传输前将业务数据单元异步地填充到数据单元区中。填充的业务数据睦元必须被 高速同步异步混合复接器的设计与实现 预先格式化成固定长度的数据块，使数据块长度与v c d u 数据单元区的长度相 匹配。异步传输模式比较灵活，对信道的利用比较充分。 等时数据传输模式用于传输通过空间链路子网时需要保持时间关系的等时 业务数据。该模式解决了等时数据传输要求的流内同步问题。它通过在传输之间 定义一个带有指定抖动的固定时间延迟来实现【2 1 。 科学实验数据对传输实时性要求不高，也不要求延迟固定，数据速率高，可 以采用异步传输模式；音频、视频等连续媒体的信息单元之间有着严格的时问维 度关系，有很强的实时性要求，采用等时传输模式。 2 10 等时传输的实现 等时数据传输的实现有两种方法：( 1 ) 使用以固定时间间隔传输的专用虚拟 信道，这样可以提供固定的时隙。( 2 ) 使用插入业务，在每一个虚拟信道数据单 元中